人腦
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人腦:多維度的幾何結構和空間

腦科學家發現人腦能運作多達11種不同的維度,創造出多元宇宙的結構,是人類「從未想象過的世界」。藉由先進的數學系統,研究人員揭解出人腦在信息分裂消失前處理信息時的腦部構造。一項新研究顯示,人腦中錯綜交織的複雜結構也許是理解該器官運作原理的關鍵。它甚至有望解開記憶存儲之所的謎團。

人腦是自然界中最複雜的結構之一,但我們距離對人腦的充分認識尚有一段距離。藍腦計劃使我們距這個目標更近了一步。按照藍腦計劃(Blue Brain Project)一個最新模型的描述,人腦是由「多維度的幾何結構和空間」構成的

「我們發現了一個始料未及的世界。」神經科學家亨利·馬克拉姆(Henry Markram)說,他是藍腦計劃的負責人,也是瑞士洛桑聯邦理工學院教授。

「在一顆微塵大小的腦組織中,這樣的對象存在著幾千萬個,最高可構成七個維度。在一些網路中,我們還發現了最高11個維度的結構。」

一旦一組神經元——負責傳輸信號的腦細胞——形成神經元「團」(clique),這些結構就形成了,每個神經元都以特定方式,與團內其他神經元一一連接,以形成新的對象。

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一個神經元團中的神經元越多,「維度」就越多。

在部分情況下,研究人員發現團塊可多達11個維度。

由神經元組成的結構形成高維度的孔隙,研究隊伍稱之為空洞。當大腦完成處理信息,組織和空洞便會消失。

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左:這是大腦新皮層一部分(大腦最發達的部分)的影像
右:構造物的不同維度;中間的黑孔標誌多維空間或空洞的複合體

必須要強調,這些結構並不存在於三維以外的空間之內。超過三個維度的,其實是它們的數學描述。

「除物理學以外,高維度空間還常常被用來描述複雜的數據結構,或是系統狀況,比如,狀態空間內一個動態系統的狀態。」該論文評審、比利時天主教魯汶大學教授塞斯·馮·萊文(Cees van Leeuwen)說道。

「這個空間不過是系統具有的所有自由度的並集,其狀態描述了這些自由度的實際取值。腦部活動的推進類似於一個多維度的沙堡:先是從沙子中逐漸成形,繼而又解體。」

「面對像人腦這樣的複雜網路,我們會把它與熟悉的對象聯繫起來,以便理解它的運作。」論文參與者、阿伯丁大學的冉·列維(Ran Levi)說。「否則,你只能看見一團亂麻,即看似隨機的神經元放電現象。」

「我們拿到人腦網路的複雜結構,將其映射到我們的宇宙之中。這樣就能提煉出精確定義的高維對象,並由此切入,以理解它的結構與功能。」

團隊用到了一個名為「代數拓撲」的數學分支,以此在一個虛擬大腦內部,給這些結構建模,然後在真實腦組織中做實驗,以驗證結果。

當研究人員對虛擬腦組織施加刺激時,神經元團便開始形成,且維度越來越多。團與團之間存在著一些空洞,又稱「空腔」。

「人腦在處理信息時會出現高維度空腔,這意味著,網路中的神經元對刺激的響應是極為井然有序的。」列維說。

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「大腦響應刺激的方式,彷彿是在搭建一個多維塊體組成的高塔,然後又將其推倒。從桿(一維)搭起,繼而是木板(二維),再是方塊(三維),接著是四維、五維等更加複雜的幾何體。腦部活動的進程類似於一個多維度的沙堡:先是從沙子中逐漸成形,繼而又解體。」

下一步是探究這些結構在人腦中扮演的實際角色。比如,神經科學中還有一個難解之謎:記憶究竟存於何處?而那些空腔可能是答案之一。

「它們也許就『躲』在高維度的空腔內。」馬克拉姆推測說。

該研究發表於《前沿計算神經科學》(Frontiers in Computational Neuroscience)期刊。

原文:Scientists Reveal a Multidimensional Universe Inside the Human Brain


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